JP2765953B2 - 電気化学検出器用電極 - Google Patents

電気化学検出器用電極

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 <産業上の利用分野> 本発明は電気化学検出器に組み込まれるクーロメトリ
ック型電気化学検出器用電極に関する。特に液体クロマ
トグラフィーなどによって分離した極微量の電気活性物
質を高感度に検知することができるクーロメトリック型
電気化学検出器用電極に関する。
<従来の技術> 従来、電気化学検出器用電極を組み込んだ電気化学検
出器は、液体クロマトグラフィーと組み合せることによ
って、生体試料等の中に含まれている極微量の電気化学
的に活性な物質、例えばカテコールアミン類およびそれ
らの代謝物等を極めて高感度に検知することができるこ
とから、これら電気活性物質の検出および定量に使用さ
れている。
これら電気化学検出器用電極としてアンペロメトリッ
ク型電極が用いられたきたが、これは分解能が低く、よ
り精密な分析には適用できない。また、最も高感度に検
知することができる電極としては、クーロメトリック型
電気化学検出器に用いられる電極が知られている。
該クーロメトリック型電気化学検出器用電極は、 電極セル内に入った検知物質が全て電気化学的に変
換されて通過されることが望ましく、それ故、効率よく
反応するためには高表面積の導電材料により形成されて
いること、 長期間の使用における耐久性を有するため、電極表
面が低極性で化学的に安定であること、および 電極セル内での目詰りを防止するため細孔径の分布
が一定であること、 の各性能を有していることが要求される。
これら〜の条件を満たすことのできる導電性の材
料としては、炭素材料、とりわけ低極性で化学的に安定
な黒鉛形態の炭素材料を使用することが好ましいことは
米国特許第4804455号明細書により知られている。
<発明が解決しようとする課題> しかしながら、米国特許第4804455号明細書が紹介し
ている該黒鉛形態の炭素材料は、表面積が著しく小さ
く、かつ長期間使用の耐久性に乏しいという問題点があ
ることから、特にクーロメトリック型電気化学検出器の
電極用材料として広く利用されることに対して著しい制
御を与えている。
〔発明の概要〕
<要旨> 本発明者等は上記問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結
果、特定な物理的性質を保有する多孔性黒鉛質炭素成形
体が、その表面で非極性で、安定な化学的性質を有して
おり、しかも適度に大きな表面積で、長期の使用に対し
ても目詰りなどが生じない一定の大きさの細孔径を備え
ていることから、電気的検出器用電極、特にクーロメト
リック型電気化学検出器用電極として使用することがで
きるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のクーロメトリック型電気化学検出
器用電極は、下記(1)〜(3)の物理的性質を保有す
る多孔性黒鉛質炭素成形体より形成されていること、を
特徴とするものである。
(1) 平均孔径が0.1〜50μmであること、 (2) 比表面積が10m2/g以上であること、 (3) X線回析分析法により求められた炭素の平均層
間隔(d002)が3.35〜3.42Åであること。
<効果> 本発明のクーロメトリック型電気化学検出器用電極
は、非極性で安定な化学的性質と、適度に大きな比表面
積と、優れた電気変換特性と、適度で一定な大きさの細
孔径を有していることから、電気化学検出器の電極とし
て長期間使用しても目詰りなどが生じ難い。従って、液
体クロマトグラフィー装置のクーロメトリック型電気化
学検出器の電極として使用した場合に、長時間優れた電
気変換特性を保持することができるので、液体クロマト
グラフィーによって分離された極微量物質を長期間高感
度に検出することができる。
〔発明の具体的説明〕 〔I〕 電気化学検出器用電極 <物理的性質> 本発明のクーロメトリック型電気化学検出器用電極
は、その表面に平均孔径0.1〜50μm、好ましく1〜30
μmの細孔が形成され、非表面積が10m2/g以上、好まし
くは50m2/g以上で、しかも、X線分析法で求められる炭
素の平均層間隔(d002)が3.35〜3.42Å、好ましくは3.
35〜3.40Åの物理的性質を保有する多孔性黒鉛質炭素成
形体より形成されている。
この成形体の平均孔径が小さ過ぎると、長期間電極と
して使用されると、細孔に検出物質または不純物による
目詰り等が生じて、電極として使用不能となる。また平
均孔径が大き過ぎると液体と電極内表面との接触が不充
分となって、効率の良い分析を行なうことができない。
また、比表面積が小さすぎるものは、充分な電気変換
特性が得られず、効率の良い分析ができない。さらに、
炭素の平均層間隔が3.42Åより大きい炭素材料では、黒
鉛化が不充分であり、極めて化学的に活性な表面である
ことより検出物質と化学反応が起るなどして、表面が劣
化し、長期の使用に耐えられない。
上記平均孔径は水銀圧入法による測定を行なうことに
よって、炭素の(d002)平均層間隔はX線回析を行ない
ブラッグの式より求めることができる。
〔II〕 製造 本発明の多孔性黒鉛質炭素電極は、例えば、次のよう
な方法等により製造することができる。
すなわち、比表面積が10m2/g以上の気相法で得られる
炭素繊維およびこれを結着するための炭素化可能結着物
質を含む媒体ならびに気孔形成促進剤とを混合した組成
物を、プレス成形などによって所望の形状に成形した
後、非酸化状態で焼成する方法により目的物を製造する
ことができる。
<気相法で得られる炭素繊維> 上記方法において使用される気相法で得られる炭素繊
維としては、炭化水素、一酸化炭素などの炭素源化合物
をFe,Co等の繊維金属超微粒子触媒の存在下に熱分解し
て炭素を気相中で成長させて得られた繊維状の黒鉛質炭
素材料、または、これを加熱して得られるものである。
これら気相法で得られる炭素繊維以外の炭素繊維では結
晶性の点で若干劣るので、気相法で得られる炭素繊維を
用いることが好ましい。
上記気相法で得られる炭素繊維の比表面積は、BET法
で測定する比表面積で10m2/g以上、好ましくは50m2/g以
上のものである。上限値は特に限定されないが、好まし
くは400m2/g程度である。
このように、好適な高い比表面積(50m2/g以上)の気
相法で得られる炭素繊維を製造するための方法として
は、例えば、特願昭63−322431号明細書に詳述されてい
る方法を採用することができる。
具体的には、反応管内の加熱帯域に炭素源化合物をキ
ャリアガスと共に供給し、遷移金属カルボニル化合物を
酸素および/または硫黄を含んで成る少なくとも一種の
有機化合物の存在下で気相熱分解して得られる遷移金属
超微粒子からなる触媒の存在下に、気相空間内で該炭素
源化合物を分解してグラファイトウィスカーを製造する
方法によって製造することができる。
また、前記気相法で得られる炭素繊維の直径及び繊維
の長さは、通常直径が5μm以下、好ましくは0.01〜2
μm、繊維の長さが1mm以下、好ましくは1〜500μmの
範囲のものを用いるのが好適である。
<炭素化可能結着物質> また、上記の炭素化可能結着物質は、混合及び粒状化
の時に前述の気相法で得られる炭素繊維を互いに結着さ
せるものである。そのような炭素化可能結着物質として
は、例えば、フェノール樹脂(レゾール樹脂およびノボ
ラック樹脂等)、フラン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂および
ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂
等の熱可塑性樹脂を使用することができる。また、ピッ
チやタール等を使用することもできる。なかでも、炭素
化収率が比較的高いフェノール樹脂、とりわけ液状フェ
ノール樹脂やピッチを使用することが好ましい。
<希釈媒体> 炭素化可能結着物質を溶液または分散液とするために
使用される希釈媒体としては、例えば水、メタノール、
テトラヒドロフラン、ピリジン、キノリン、ベンゼン、
トルエンなどがある。
この希釈媒体中の炭素化可能結着物質の濃度は、炭素
化可能結着物質の種類、溶媒または分散媒からなる希釈
媒体の種類、希釈媒体と混合される気相法で得られる炭
素繊維の表面積、その平均繊維の長さ、得られる目的物
である多孔性粒状体の気孔率、機械的特性等によって変
化するが、通常、5〜60重量%、好ましくは10〜30重量
%の範囲内で行なわれるのが普通である。
<気孔形成促進剤> 黒鉛質成形体としてシャープな孔径分布の細孔を有す
る多孔性黒鉛を提供する目的で使用される気孔形成促進
剤としては、非酸化性雰囲気中での焼成により分解して
ガス化し、炭素分として殆ど残らない物質を用いること
ができる。例えば、澱粉、セルロース、ポリエチレンオ
キシドおよびポリビニルアルコール等がある。この気孔
形成促進剤の添加は前述の炭素化可能結着物質の溶液ま
たは分散媒からなる希釈媒体中に投入することができ
る。
気孔形成促進剤は、多孔性黒鉛成形体の形成時の平均
孔径が0.1〜50μmの範囲となるように、その適当量を
前記した炭素化可能結着物質の溶液または分散媒に添加
される。
<焼成> 上述のようにして得られた組成物は、乾燥後、成型プ
レスにより任意の形状にプレスした後、加熱される。こ
の加熱により結着剤である炭素化可能物質を炭素化して
黒鉛化すると共に気孔形成促進剤を分解させてシャープ
な孔径分布の細孔を有する多孔性の黒鉛を形成する。加
熱は、窒素、アルゴン等の非酸化性の不活性気体中で行
なわれ、加熱温度は、800〜3000℃、好ましくは1000〜2
500℃の範囲内であり、加熱時間は5〜20時間の範囲内
で行なわれるのが普通である。
<多孔性黒鉛質炭素> 上記方法によって得られた多孔性黒鉛質炭素として
は、その表面に平均孔径が0.1〜50μm、好ましくは1
〜30μmの細孔が多数形成されており、比表面積が10m2
/g以上、好ましくは50m2/g以上のものとなっている。ま
た、このものをX線分析によって測定したところ、炭素
の平均層間隔(d002)が3.35〜3.42Åを示しており、黒
鉛質を示すものであることが理解できる。
〔III〕 電気化学検出器用電極としての利用 この多孔性黒鉛質炭素成形体は、切削等により検出器
用電極としての所望の形状に成形された後、クーロメト
リック型電気化学検出器用電極として電気化学検出器に
組み込まれて使用される。特に高速液体クロマトグラフ
ィー(HPLC)と組み合わせて生体中の極微量物質の検出
および定量を行なうのに適している。
〔実験例〕
実施例1 <成型体の製造> 固形分量65重量%の市販の水溶性フェノール樹脂3g
を、3リットルの水に添加して加熱した。次いで、この
溶解液に気相法で得られた炭素繊維(比表面積130m2/
g、平均直径0.2μm、平均繊維長2μm)100g、ジャガ
イモデンプン10gおよびアルギン酸ナトリウム0.2gを加
えて混合した。この混合溶液を10%塩化カルシウム水溶
液中に少しづつノズルより滴下して該滴下液の球状のゲ
ル化液を生成させた。
得られた球状粒子をろ過した後、室温にて乾燥させ
た。
次いで、この球状粒子を45mm径のステンレス製金型に
入れ、0.5kg/cm2の圧力で加圧成形した後、200℃の温度
で2時間加熱して硬化させて硬化成形体を得た。この成
形体を70℃/hrの昇温速度で1000℃の温度にまで昇温し
て、1000℃の温度で6時間保持させた後、再び昇温させ
て、更に2000℃の温度で15分間加熱保持し、冷却して生
成物を得た。
この生成物は、比表面積が51m2/gであり、平均孔径が
3μmでシャープな分布を有しており、また、X線回析
による平均層間隔(d002)が、3.38Åの黒鉛構造を示す
ものであった。
<電気化学検出器> 上記黒鉛構造を示す生成物を切削して、5mm径×3mmの
電気化学検出器用電極とし、この電極をAg/AgClを参照
電極とする電気化学検出器に組み込み、これを高速液体
クロマトグラフィーと組み合わせて下記のカテコールア
ミン類の分析を行なった。
得られた結果を以下に示す。
移動相としてリン酸緩衝液(pH3.3)/メタノール/n
−オクチル硫酸ナトリウム/EDTAの混合液を流してい
る、オクタデシル化されたシリカゲルを充填した分離カ
ラムに、ノルエピネフリン、エピネフリン;ジヒドロキ
シ安息香酸(内部標準物質)およびドーパミンを溶解し
た水溶液を注入し、溶離液を上記電気化学検出器に通導
したクロマトグラムを得た。
その結果、本発明による電極を装着した電気化学セル
中では電気化学的酸化率が非常に高い(99%以上)ため
20ピコグラムという極微少量であっても以下に示すよう
なクロマトグラムを得るとが出来た。
この検出器によるカテコールアミンおよびそれらの代
謝物の検出限界は1ピコグラムであり、従来の電気化学
検出器の500〜1000倍の高感度を示した。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例における分析チャートを示す
ものである。 1……ノルエピネフリンのピーク、2……エピネフリン
のピーク、3……ジヒドロキシ安息香酸(内部標物質)
のピーク、4……ドーパミンのピーク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記(1)〜(3)の物理的性質を保有す
    る多孔性黒鉛質炭素成形体より形成されていることを特
    徴とする、クーロメトリック型電気化学検出器用電極。 (1) 平均孔径が0.1〜50μmであること、 (2) 比表面積が10m2/g以上であること、 (3) X線回析分析法により求められた炭素の平均層
    間隔(d002)が3.35〜3.42Aであること。
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